Vùng đất xung quanh Medina gồm chủ yếu là bazan, còn các đồi là tro núi lửa có niên đại từ giai đoạn địa chất đầu tiên của Đại Cổ sinh, đặc biệt đáng chú ý tại phía nam thành phố.

Medina nằm tại phần phía đông của khu vực Hejaz, có kinh độ 39º 36' E và vĩ độ 24º 28' N.

Medina nằm tại phần tây bắc của Ả Rập Xê Út, về phía đông của biển Đỏ, chỉ cách biển này khoảng 250 km. Bao quanh thành phố là một số ngọn núi: Al-Hujaj, hay núi hành hương ở phía tây, Salaa ở phía tây bắc, Al-E'er hay núi đoàn buôn ở phía nam và Uhad ở phía bắc. Medina nằm trên một cao nguyên núi bằng phẳng tại giao điểm của ba thung lũng Al-Aql, Al-Aqiq và Al-Himdh. Do đó, Medina có các khu vực xanh rộng lớn nằm giữa một vùng núi khô hạn. Thành phố có độ cao 620 m trên mực nước biển. Phần phía tây và tây nam có nhiều đá núi lửa. Diện tích thành phố là khoảng 50 km².

Medina có khí hậu hoang mạc nóng (phân loại khí hậu Köppen BWh). Mùa hè cực kỳ nóng khi nhiệt độ vào ban ngày trung bình là khoảng 43 °C còn vào ban đêm là khoảng 29 °C. Nhiệt độ lên trên 45 °C không phải là bất thường từ tháng 6 đến tháng 9. Mùa đông dịu hơn, nhiệt độ khoảng từ 12 °C vào ban đêm đến 25 °C vào ban ngày. Thành phố có rất ít mưa, hầu như đều xuất hiện từ tháng 11 đến tháng 5.